§ 13.3. Автоматическое регулирование котельных установок с котлами естественной циркуляции.

1. Регулируемые величины.

Обычно котельная установка состоит из одного или нескольких котлов, обслуживающих их вспомогательных механизмов, теплообменных аппаратов и связывающих трубопроводов.

Важнейшим требованием потребителей пара, генерируемого котлами, является поддержание определенной величины давления пара. Условия безаварийности работы парового котла с естественной циркуляцией требуют поддержания номинального значения уровня воды в паровом коллекторе, а экономичность работы котла определяется в основном значением коэффициента избытка воздуха.

Следовательно, в числе регулируемых величин котельной установки должны быть давление пара, уровень воды в котле и коэффициент избытка воздуха.

Важной величиной, определяющей экономичность работы паросиловой установки, является температура перегретого пара. Однако у паровых котлов с естественной циркуляцией отечественной постройки температура перегретого пара имеет вполне определенное значение в зависимости от других параметров и мало изменяется на различных стационарных режимах, так что каких-либо средств для регулирования температуры перегретого пара обычно не требуется.

Давление пара в котле зависит главным образом от расхода пара из котла и от подачи в топку котла топлива; его поддерживают номинальным при различных расходах пара или меняют по требуемому закону изменением подачи топлива.

Уровень воды в паровом коллекторе котла зависит от расхода и давления пара, а также от подачи питательной воды в котел. Номинальное значение уровня при различных расходах и давлениях пара поддерживают, воздействуя на подачу питательной воды.

Наконец, нормальное с точки зрения полноценного процесса горения топлива значение коэффициента избытка воздуха обусловлено количествами топлива и воздуха, подводимых в топку котла.

Так как подача топлива определяется из условия поддержания требуемого значения давления в котле при различных расходах пара, то номинальное значение коэффициента избытка воздуха поддерживается обычно путем установления расхода воздуха, соответствующего расходу топлива.

Таким образом, для поддержания требуемых значений давления пара, уровня воды в котле и коэффициента избытка воздуха при различных расходах пара из котла необходимо соответствующим образом воздействовать на подачу топлива, воды и воздуха, увязывая при этом расход воздуха с расходом топлива.

Подача топлива, воды и воздуха для работы котла осуществляется вспомогательными механизмами котельной установки: питательными, топливными насосами и котельными вентиляторами.

Расход жидкости или газа через какой-либо клапан является функцией двух величин: площади проходного сечения клапана и перепада давления на клапане. Давления за питательными клапанами (если котел работает с постоянными параметрами пара) и регулирующими органами расхода топлива и воздуха обычно мало меняются, и соответствующие перепады давлений определяются в основном давлениями перед регулирующими органами. Поэтому регулирование расходов рабочих сред, поступающих в котел, можно осуществить, поддерживая определенное давление данной среды перед регулирующим органом и изменяя площадь проходного сечения этого органа.

В таком случае придется поддерживать соответствующие значения давлений топлива в топливном трубопроводе перед форсунками, воды в питательной магистрали перед питательным клапаном, воздуха в воздухопроводе перед воздушными регистрами. Поддержание определенных значений этих давлений необходимо и с точки зрения нормальной работы соответствующих вспомогательных механизмов.

Ввиду изложенного регулируемыми величинами котельной установки, кроме указанных выше, являются давление топлива и давление воздуха, идущих в топку котла, и давление питательной воды. Регулирование этих давлений можно осуществить воздействием на мощность приводов топливных, питательных насосов и котельных вентиляторов.

Для автоматического регулирования шести регулируемых величин - уровня воды, давления пара, коэффициента избытка воздуха (расхода воздуха), давления питательной воды, давления топлива и давления воздуха потребуется шесть регуляторов. Подача воздуха должна соответствовать подаче топлива. Это можно выполнить, связав регулятор давления пара с одним из регуляторов, осуществляющих изменение подачи воздуха в топку, с регулятором расхода воздуха или с регулятором давления воздуха, таким образом, чтобы перестановка топливного регулирующего органа оказывала соответствующее воздействие на регулирующие устройства подачи воздуха.

2. Принципиальная схема автоматического регулирования котельной установки с котлом естественной циркуляции.

Схема изображена на рисунке.

В этой схеме регулятор давления топлива воздействует на сливной топливный клапан. В другом варианте этот регулятор может воздействовать на клапан свежего пара топливного насоса. Штриховой линией на рисунке показана вышеуказанная связь от регулятора давления пара к регулятору давления воздуха.

Система регулирования давления воздуха является, таким образом, программной системой.

Остальные системы регулирования рассмотренной схемы являются системами стабилизации. В случае управления мощностью паросиловой установки изменением давления пара, генерируемого котлом, регулятор давления пара должен быть снабжен устройством (задатчиком), позволяющим оператору изменять по определенному закону заданное значение регулируемого давления.

Нормальная работа котла обеспечивается не только количествами подводимых к нему рабочих сред, но и количествами, вносимыми этими средами энергии. Последняя же определяется как количеством, так и параметрами данной среды, прежде всего - температурой.

Однако температуры питательной воды и воздуха, поступающего в топку котла, обычно мало меняются и поэтому не оказывают существенного влияния на работу котла.

Что касается температуры топлива, то она существенно влияет на работу котла, но по другой причине. Эта температура определяет вязкость мазута и, следовательно, его нормальный распыл в форсунках. Поэтому, кроме указанных выше шести регуляторов, в системе автоматического регулирования котельной установки обязательно наличие регулятора температуры топлива.

Обычно этот регулятор измеряет температуру мазута на выходе из нефтеподогревателя и воздействует на клапан впуска греющего пара в нефтеподогреватель. Уровень конденсата в нефтеподогревателе при этом поддерживается поплавковым регулятором уровня. Температура мазута в зависимости от его сорта обычно должна лежать в пределах 90-100 °С.

Рис. 2. Схема системы автоматического регулирования котельной установки с котлом естественной циркуляции.

I - регулятор уровня, измеряющий значение уровня и воздействующий на питательный клапан; II - регулятор давления питательной воды, измеряющий давление в магистрали перед питательным клапаном и воздействующий на клапан свежего пара питательного насоса; III - регулятор давления пара, измеряющий давление пара и воздействующий на топливный регулирующий орган; IV - регулятор давления топлива, измеряющий давление в трубопроводе перед топливным регулирующим органом и воздействующий на клапан слива мазута в цистерну; V - регулятор расхода воздуха, измеряющий пропорциональный расходу перепад давления воздуха на фронте котла и воздействующий на установленные в воздухопроводе регистры; VI - регулятор давления воздуха, измеряющий давление воздуха перед воздушными регистрами и воздействующий на клапан свежего пара котельного вентилятора.

1 - питательный турбонасос; 2 - топливный насос; 3 - турбовентилятор.

3. Выше рассмотрена достаточно общая схема системы автоматического регулирования котельной установки.

Различные системы автоматического регулирования конкретных установок отличаются от рассмотренной количеством и составом регуляторов.

Вместо регуляторов давлений рабочих сред, контролирующих давления перед регулирующими органами, могут быть применены регуляторы перепада давлений, контролирующие разность давлений перед регулирующими органами и за ними.

Регулятор давления питательной воды может быть заменен регулятором перепада давления на питательном клапане. Если давление пара в котле на различных стационарных режимах различно, то применение регулятора перепада давления на питательном клапане становится обязательным: поддерживая автоматически этот перепад примерно постоянным, регулятор тем самым обеспечивает необходимое превышение давления нагнетаемой в котел воды над давлением в котле.

Регулятор давления топлива перед регулирующим органом может быть заменен регулятором перепада давления на топливном регулирующем органе.

Регулятор давления воздуха можно заменить регулятором перепада давления воздуха на фронте котла, воздействующим по-прежнему на мощность привода котельного вентилятора. Эта замена возможна и целесообразна в случае, когда названный перепад представляет собой существенную величину, что имеет место у высоконапорных котлов.

Вместо рассмотренного способа изменения расходов рабочих сред, поступающих в котел, изменением площадей проходных сечений регулирующих органов при одновременном поддержании определенных давлений перед этими органами можно использовать другой способ, основанный на изменении давления перед регулирующим органом и, следовательно, перепада давления на нем при постоянной площади его проходного сечения. В таком случае регулирование подачи той или иной среды будет осуществляться с помощью одного регулятора, а не двух, что упрощает схему.

Регулирование подачи питательной воды в котел можно выполнить одним регулятором, измеряющим уровень воды в котле и воздействующим прямо на паровпускной клапан привода питательного насоса. В этом случае питательный клапан всегда остается полностью открытым, однако регулятор уровня при маневрировании на продолжительные периоды прекращает доступ пара в приводной двигатель питательного насоса. Приводом питательных насосов главных котельных установок, как правило, является турбина, частые остановки и повторные пуски которой могут привести к скоплению в ней конденсата и ее повреждению. Поэтому данный способ регулирования применяется лишь в случае, если приводом питательного насоса служит поршневая машина, что имеет место во вспомогательных котельных установках.

Регулирование подачи топлива при оборудовании котла несколькими механическими форсунками только изменением давления топлива перед форсунками осуществлять не всегда целесообразно, а при центробежных форсунках и невозможно, так как глубина регулирования производительности этих форсунок, достигаемая за счет изменения давления поступающего к ним мазута, невелика. Изменение расхода топлива осуществляется часто как воздействием на число включенных форсунок, т. е. изменением проходного сечения регулирующего органа, так и воздействием на давление топлива перед топливным регулирующим органом (или на перепад давления на этом органе).

Регулирование расхода воздуха при наличии механических форсунок с индивидуальными нерегулируемыми воздухонаправляющими устройствами (ВНУ) вполне можно выполнять изменением давления воздуха и поочередным открытием либо закрытием ВНУ, без установки дополнительных регистров в воздухопроводе, показанных на рисунке. При этом ВНУ открываются под воздействием топливного регулирующего органа одновременно с включением соответствующей форсунки. В таком случае надобность во втором регуляторе отпадает, и остается один регулятор давления (или перепада давления) воздуха.

Котельная установка может включать в свой состав не один, а несколько котлов. При этом схема системы регулирования принципиально не меняется, но часть регуляторов может обслуживать одновременно несколько котлов. Регулятор давления пара может быть общим для двух котлов, работающих на одну магистраль свежего пара. Регулятор давления воздуха также может быть общим для двух котлов.

Что касается регуляторов уровня воды, то их обязательно устанавливают на каждый котел, так как колебания уровней воды в разных котлах одной котельной установки могут быть различными, а поддержание уровня в строго заданных пределах необходимо для безаварийной работы котла, и так как измерение общего для котлов «среднего» уровня практически трудно осуществимо.

Регуляторы уровня воды в котлах обычно выполняются двухимпульсными, но применяются и одноимпульсные (главным образом, для вспомогательных котлов). Получили распространение также двухимпульсные регуляторы температуры топлива. Остальные регуляторы, как правило, выполняются одноимпульсными. Регуляторами давления питательной воды и температуры топлива иногда служат регуляторы прямого действия.

Но в большинстве своем регуляторы котельной установки являются регуляторами непрямого действия.